JP5880999B2 - 液体−液晶間相転移と液晶欠陥の相互作用による物体移動機構および物体移動方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体−液晶間相転移と液晶欠陥の相互作用による物体移動機構および物体移動方法に関する。
4-pentyl-4’-cyanobiphenyl等，液晶性の物質は、分子が等方（無秩序）となった液体状態と、分子が一定の方向に配向した液晶状態を取ることができ、所定の温度（相転移温度）において液体状態と液晶状態との間で状態が可逆変化する。そして、かかる物質中に、相転移温度が含まれる温度勾配が存在した場合には、物質中に、液体相と液晶相とが界面を挟んで同時に存在する状態となる。
本発明は、かかる内部に液体相と液晶相とが界面が存在する物質における液体−液晶間相転移と液晶欠陥の相互作用による物体移動機構および物体移動方法に関する。

従来から液晶は、液晶分子が配向することによってその光学的性質が変化するため、この性質を利用して液晶ディスプレー等の情報表示装置に使用されている。
また、液晶は、電界や磁界を加えて液晶分子の配向方向を変化させるとその粘性が変化する。つまり、液晶は、電気粘性流体としての性質も有しているので、この性質を利用した軸受やダンパー等が開発されている。

一方、液晶分子が配向するときには、配向の際に回転するので、液晶中には液晶流動が発生する。この液晶分子の回転に起因した液晶流動を工業的に利用する技術、具体的には、液晶流動によって物体を移動させる技術が開発されている（特許文献１）。

ところで、上記特許文献１の技術は、液晶が仕事をするためのエネルギとして、電磁力を利用しているが、熱エネルギを液晶に供給して物体移動などの仕事をさせることができれば有用であると考える。

特許第３５８６７３４号

本発明は上記事情に鑑み、熱エネルギによって物体を移動させることができる液体−液晶間相転移と液晶欠陥の相互作用による物体移動機構および物体移動方法を提供することを目的とする。

第１発明の液体−液晶間相転移を利用した物体移動機構は、液体状態と液晶状態とを取り得る物質と、該物質中に、相転移温度を含む温度勾配を形成させる温度勾配形成手段と、前記物質に接触した状態で配置され、該物質に接触した状態で移動可能に設けられた移動部材と、を備えており、該温度勾配形成手段は、前記物質中において相転移温度の相転移領域を移動させる相転移領域調整機能を有しており、前記移動部材は、前記温度勾配形成手段によって相転移領域が移動される方向に沿って移動するように配設されており、前記物質と接触する接触面に、液晶を乱す処理が施されていることを特徴とする。
第２発明の液体−液晶間相転移を利用した物体移動機構は、第１発明において、前記液晶を乱す処理が、前記物質と接触すると、該物質中に液晶欠陥を形成し得る処理であることを特徴とする。
第３発明の液体−液晶間相転移を利用した物体移動機構は、第１または第２発明において、前記温度勾配形成手段は、前記物質を冷却する冷却手段と、該冷却手段に対して離間した位置に配設された、前記物質を加熱する加熱手段と、を備えていることを特徴とする。
第４発明の液体−液晶間相転移を利用した物体移動方法は、液体状態と液晶状態とを取り得る物質に、該物質と接触すると液晶を乱す処理が施された接触面を有する移動部材をその接触面が前記物質と接触するように配設し、前記物質中に、相転移温度を含む温度勾配を形成させ、前記物質中における相転移温度の相転移領域を移動させることを特徴とする。
第５発明の液体−液晶間相転移を利用した物体移動方法は、第４発明において、前記液晶を乱す処理が、前記物質と接触すると、該物質中に複数の液晶欠陥を形成し得る処理であることを特徴とする。

第１発明によれば、温度勾配形成手段によって物質に加える熱エネルギを調整すれば、相転移温度の相転移領域を液晶相側から液体相側に向かって移動させることができる。すると、移動部材には、物質と接触する接触面に液晶を乱す処理が施されているので、この処理が行われた個所に相転移領域が到達すると、相転移領域とともに移動部材を移動させることができる。
第２発明によれば、液晶を乱す処理が複数の液晶欠陥を物質中に形成し得る処理であるので、移動部材を相転移領域の移動に追従させて移動させやすくなる。
第３発明によれば、液晶相側と液体相側の位置を逆転させれば、相転移領域の移動に伴う物体の移動方向を逆向きにすることができるから、物体を一方向だけでなく、双方向に移動させることができる。
第４発明によれば、物質に加える熱エネルギを調整すれば、相転移温度の相転移領域を液晶相側から液体相側に向かって移動させることができる。すると、移動部材には、物質と接触する接触面に液晶を乱す処理が施されているので、この処理が行われた個所に相転移領域が到達すると、相転移領域とともに移動部材を移動させることができる。
第５発明によれば、液晶を乱す処理が複数の液晶欠陥を物質中に形成し得る処理であるので、移動部材を相転移領域の移動に追従させて移動させやすくなる。

本実施形態の物体移動機構の概略説明図であって、（Ａ）は物質Ｍ上に移動部材ＭＰが載せられている状態の概略断面図であり、（Ｂ）は移動部材ＭＰにおける接触面の概略説明図であり、（Ｃ）は物質Ｍ中の温度勾配Ｔｇを示した図である。 相転移領域ＩＦを移動させて移動部材ＭＰを移動させる状況の概略説明図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の物体移動機構は、物質に熱エネルギを加えることによって物質中の物体を移動させるものであり、物体の移動に、物質の液晶−液体間の界面の移動を利用することに特徴を有している。

（物質Ｍについて）
図１において符号Ｍは、固定プレートＢＰ上に配置された物質Ｍを示している。この物質Ｍは、例えば、4-pentyl-4’-cyanobiphenylや4-methoxy-benzilidene-4-butyl-aniline等の温度を変えることによって液晶状態（図１中液晶層ＬＣで示す）を液体状態（図１中液体層Ｌで示す）との間で状態を変化させることができる物質を示している。
なお、図１では、物質Ｍが固定プレートＢＰ上に配置されている場合を示しているが、本発明の物体移動機構を適用する装置では、物質Ｍを配置する部材は特に限定されない。例えば、物質Ｍは、箱状の部材内に収容した状態としてもよく、とくに限定されない。

（温度勾配形成手段について）
図１に示すように、固定プレートＢＰの下面には、ヒータなどの加熱手段Ｈと、チラー等の冷却手段Ｃが設けられている。
この加熱手段Ｈは、固定プレートＢＰを介して物質Ｍを加熱することができるものであり、少なくとも、物質Ｍを、その液晶−液体間の相転移温度Ｔｃよりも高い温度まで加熱できる機能を有するものである。
また、冷却手段Ｃは、固定プレートＢＰを介して物質Ｍを冷却することができるものであり、前記加熱手段Ｈからある程度離間した位置に配置されている。この冷却手段Ｃは、少なくとも、物質Ｍを、その液晶−液体間の相転移温度Ｔｃよりも低い温度まで冷却できる機能を有するものである。
そして、加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃは、両者の温度を調整して物質Ｍ中に形成される温度勾配を調整する制御手段Ｓに連結されている。

以上のごとき構成であるので、加熱手段Ｈによって物質Ｍの一部（図１では右側の領域）を相転移温度Ｔｃより高温に加熱し、冷却手段Ｃによって物質Ｍの一部（図１では左側の領域）を相転移温度Ｔｃより低温に冷却することができる。すると、物質Ｍ内には、右側の領域から左側の領域に向かって温度が低下する温度勾配Ｔｇが形成され、物質Ｍ内における右側の領域と左側の領域との間には、相転移温度Ｔｃとなる領域が形成される。
物質Ｍは、相転移温度Ｔｃより高温では液体、相転移温度Ｔｃより低温では液晶となるので、物質Ｍ内には、右側に液体相Ｌの領域、左側に液晶相ＬＣの領域が形成され、両領域の間に相転移領域ＩＦが形成されるのである。

上記の加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃが、特許請求の範囲にいう温度勾配形成手段に相当し、加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃによって物質Ｍを加熱冷却して温度勾配Ｔｇを変化させる機能が特許請求の範囲にいう相転移領域調整機能に相当する。
かかる加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃを備えた温度勾配形成手段を設けた場合には、冷却手段Ｃが物質から奪う熱エネルギと、加熱手段Ｈから物質に供給する熱エネルギとを調整すれば、物質Ｍ中に形成させる温度勾配Ｔｇを自由に調整することができる。つまり、加熱手段Ｈの温度や冷却手段Ｃの温度を調整するだけで、冷却手段Ｃと加熱手段Ｈとの間に形成される相転移領域ＩＦの位置及び移動を調整することができるので、相転移領域ＩＦの移動の制御が容易になるし、制御手段Ｓの構成も簡単な構成とすることができる。

（移動部材について）
図１において、符号ＭＰは物質Ｍ上に載せられている移動部材、つまり、本実施形態の物体移動機構において移動される移動部材を示している。この移動部材ＭＰは、例えば、平板などであるが、その形状などはとくに限定されない。
この移動部材ＭＰは、その接触面（図１では下面）が物質Ｍと接触するように配設されており、しかも、物質Ｍと接触した状態を維持したまま所定の移動方向に沿って移動できるように保持されている。例えば、図２であれば、後述する相転移領域ＩＦは左右方向に移動するが、移動部材ＭＰも左右方向に沿って、物質Ｍと接触したまま移動することができるように保持されている。
そして、移動部材ＭＰの接触面には、液晶ＬＣ状態の物質Ｍと接触すると、物質Ｍの液晶ＬＣの状態を乱す処理、つまり、液晶ＬＣ中の液晶分子の配向を乱す処理ａ（以下、欠陥処理ａという）が施されている。例えば、液晶ＬＣ状態の物質Ｍと接触すると、物質Ｍ中の分子配向場のエネルギーが増加するようなラビング処理が施されている。具体的には、垂直配向処理や平行配向処理、あるいはそれらの複合処理等を挙げることができる。
なお、移動部材ＭＰ自体、または、移動部材ＭＰにおいて物質Ｍと接触する部分を、液晶ＬＣ状態の物質Ｍと接触すると物質Ｍ中の分子配向場のエネルギーが増加するような物質で構成しても、同様の効果を得ることができる。例えば、移動部材ＭＰの表面に上記物質の層を設けるなどの処理を行ってもよい。液晶ＬＣ状態の物質Ｍと接触すると物質Ｍ中の分子配向場のエネルギーが増加するような物質は、例えば、ポリスチレンや界面活性剤などを挙げることができるが、とくに限定されない。

とくに、欠陥処理ａは、液晶ＬＣ状態の物質Ｍと接触すると、物質Ｍ中に液晶欠陥を形成し得る処理であることが好ましい。この場合には、移動部材ＭＰが液晶ＬＣに接触したときに、液晶ＬＣに形成される乱れが最も大きくなるので、相転移領域ＩＦの移動に移動部材ＭＰの移動をより追従させやすくなる。液晶欠陥を形成し得る処理は、例えば、モータ等の回転機構を用いた円形ラビング処理を挙げることができるが、とくに限定されない。

（物体を移動させる手順）
つぎに、上記のごとき物体移動機構において、移動部材ＭＰを移動させる方法を説明する。
まず、加熱手段Ｈによって物質Ｍの一部を相転移温度Ｔｃより高温に加熱し、冷却手段Ｃによって物質Ｍの一部を相転移温度Ｔｃより低温に冷却して、物質Ｍ中に相転移領域ＩＦが形成されるように調整する。そして、移動部材ＭＰを液体相Ｌ上に配置する。

ついで、加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃを制御して、物質Ｍ中の最高温度はそのままで、最低温度を低下させる。図２（Ａ）であれば、左側の領域の温度を下げる。すると、物質Ｍ中の温度勾配はその傾きが大きくなり、相転移温度Ｔｃとなる位置が液体相Ｌ側に移動する。すると、液体相Ｌの領域では、相転移温度Ｔｃとなる位置の移動にともなって相転移領域ＩＦも液体相Ｌ側に移動する。

相転移領域ＩＦが、移動部材ＭＰにおいて欠陥処理ａが行われている部分に到達すると、移動部材ＭＰは、欠陥処理ａが相転移領域ＩＦの位置に配置されたまま、相転移領域ＩＦとともに移動する（図２（Ａ）〜（Ｃ））。
つまり、物質Ｍに加える熱エネルギを調整して、物質Ｍの温度勾配Ｔｇを変化させる、言い換えれば、相転移領域ＩＦを移動させれば、物質Ｍ中と接触している移動部材ＭＰを移動させることができるのである。

したがって、本発明の物体移動機構では、物質Ｍ中に液体相Ｌの領域と液晶相ＬＣの領域とを形成し、物質Ｍの温度勾配Ｔｇを変化させて相転移領域ＩＦを液体相Ｌに向かって移動させれば、液体相Ｌ上の移動部材ＭＰを、相転移領域ＩＦの移動する方向に沿って相転移領域ＩＦとともに移動させることができるのである。

上記現象が生じるのは、以下の理由と考えられる。
液晶相ＬＣ中では、全液晶分子がある方向に配向した状態で存在しているのに対し、液体中では分子が無秩序な状態（等方状態）で存在している。すると、移動部材ＭＰにおいて欠陥処理ａが施されていると、物質Ｍと移動部材ＭＰを含む系全体では、移動部材ＭＰにおいて欠陥処理ａが液晶相ＬＣ中に存在するよりも移動体ｍが液体相Ｌ中に存在する方がエネルギ的に低い状態をとることになる。なぜなら、欠陥処理ａによって、液晶相ＬＣ中の液晶分子の配向が乱されるからである。
すると、相転移領域ＩＦが液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側に移動する場合、移動部材ＭＰにおいて液体相Ｌと接している接触面の欠陥処理ａによって液晶ＬＣ中に配向の乱れが生じないように、移動部材ＭＰが液体相Ｌと接触した状態を維持し続けようとする。言い換えれば、物質Ｍと移動部材ＭＰを含む系がエネルギ的に低い状態を維持しようとするために、移動部材ＭＰが液体相Ｌと接触した状態を維持し続けようとする。このため、相転移領域ＩＦが液晶相ＬＣ側から液体相Ｌ側に移動する場合には、移動部材ＭＰは、その欠陥処理ａの部分が相転移領域ＩＦの位置に配置されているかのように、相転移領域ＩＦとともに移動するのである。

そして、上記のごとき原理によって相転移領域ＩＦの移動にともなう移動部材ＭＰの移動が生じるので、物質Ｍが液晶相ＬＣになったときにおける液晶分子の配向を拘束する拘束手段を設けておけば、液晶分子の配向を拘束する力が強くなり、転移領域ＩＦの移動に伴う移動部材ＭＰの移動が生じやすくなるので、好適である。

（移動部材ＭＰを保持する構成について）
なお、移動部材ＭＰを保持する構成はとくに限定されず、温度勾配形成手段によって相転移領域ＩＦが移動される方向に沿って移動するように移動部材ＭＰさせることができるようになっていればよい。
例えば、固定プレートＢＰの上面と平行にレールを配設し、このレールにスライダなどを介して移動部材ＭＰを取り付ける。すると、移動部材ＭＰをレールに沿ってしかも移動部材ＭＰの接触面を物質Ｍと接触させたまま移動させることができる。
また、移動部材ＭＰは物質Ｍ上に載せておくだけでもよく、この場合には、相転移領域ＩＦの移動方向に沿って、自由に移動部材ＭＰを移動させることができる。

（温度勾配形成手段の他の例）
なお、上記例では、加熱手段Ｈや冷却手段Ｃは固定プレートＢＰの外面から物質Ｍを加熱冷却する場合を説明したが、物質Ｍを加熱冷却できるのであれば、加熱手段Ｈや冷却手段Ｃを設ける位置はとくに限定されない。例えば、加熱手段Ｈや冷却手段Ｃを物質Ｍに直接接触させて加熱冷却してもよい。

また、温度勾配形成手段は、上記のごとき加熱手段Ｈおよび冷却手段Ｃを備えたものに限られず、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配Ｔｇを形成させることができるものであればとくに限定されない。

例えば、物質Ｍの相転移温度が室温よりも高い場合であれば、図１における冷却手段Ｃに代えて加熱手段Ｈを設けてもよい。つまり、図１における固定プレートＢＰの両側に加熱手段Ｈを設けてもよい。この場合、一方の加熱手段Ｈだけで物質Ｍを加熱しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができるし、また、両加熱手段Ｈによる加熱状態を調整しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができる。
逆に、物質Ｍの相転移温度が室温よりも低い場合であれば、図１における加熱手段Ｈに冷却手段Ｃを設けてもよい。つまり、図１における固定プレートＢＰの両側に冷却手段Ｃを設けてもよい。この場合も、一方の冷却手段Ｃだけで物質Ｍを冷却しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができるし、また、両冷却手段Ｃによる冷却状態を調整しても、物質Ｍ中に相転移温度Ｔｃを含む温度勾配を形成させることができる。

また、温度勾配形成手段として、図１における固定プレートＢＰの下面全面に、物質Ｍを加熱冷却できる、例えば、ペルチェ素子等を複数設けてもよい。この場合、各ペルチェ素子等の温度を調整すれば、物質Ｍ中に所望の温度勾配を形成することができる。すると、物質Ｍ中に所望の形状を有する相転移領域ＩＦを形成できるし、この相転移領域ＩＦを所望の方向に所望の速度で移動させることも可能である。

さらに、温度勾配形成手段として、所望の温度分布を表面に形成させることができる平板（例えば、銅板等）を、図１における固定プレートＢＰの下面に設けてもよい。この場合、平板の表面と同等の温度分布を物質Ｍ内に形成させることができる。すると、平板の温度分布を調整すれば、物質Ｍ中に所望の温度分布、つまり、所望の温度勾配Ｔｇを形成することができるから、物質Ｍ中に所望の形状を有する相転移領域ＩＦを形成できるし、この相転移領域ＩＦを所望の方向に所望の速度で移動させることも可能となる。

さらに、物質Ｍ全体が同一相の状態から、物質Ｍ全体の温度を、急激に上昇させるまたは急激に低下させることによっても、相転移領域ＩＦを形成させて移動させることができる。具体的には、全面液晶相ＬＣの状態の物質Ｍを、温度勾配形成手段によって物質Ｍ全体を相転移温度Ｔｃ以上に急激に加熱した場合には、最初に液体相Ｌとなった場所から液体相Ｌが広がるにつれて相転移領域ＩＦを移動させることができる。逆に、全面液体相Ｌの状態の物質Ｍを、温度勾配形成手段によって物質Ｍ全体を相転移温度Ｔｃ以下に急激に冷却した場合には、最初に液晶相ＬＣとなった場所から液体相Ｌが広がるにつれて相転移領域ＩＦを移動させることができる。

そして、温度勾配形成手段として、物質Ｍ中の温度勾配Ｔｇを迅速に逆転させることができる機能を有するものを採用すれば、相転移領域ＩＦを静止させた状態で、液晶相ＬＣの領域と液体相Ｌの領域を逆転させることが可能となる。すると、相転移領域ＩＦの移動に伴って移動体ｍの移動方向させることができる領域を逆向きにすることができるから、移動体ｍを一方向だけでなく、双方向に移動させることが可能となる。
例えば、図１であれば、右側に液晶相ＬＣの領域、左側に液体相Ｌの領域が形成されているので、相転移領域ＩＦを右側から左側に移動させれば、移動体ｍを右側から左側に向かって移動させることができる。この状態から、液晶相ＬＣの領域と液体相Ｌの領域を逆転させて、左側に液晶相ＬＣの領域、右側に液体相Ｌの領域が存在するようにすれば、相転移領域ＩＦを左側から右側に移動させたときに、移動体ｍを左側から右側に向かって移動させることができるのである。

本発明の液体−液晶間相転移と液晶欠陥の相互作用による物体移動機構は、少ない熱エネルギによって微小な物体を移動させるアクチュエータに適用できる。

Ｌ 液体相
ＬＣ 液晶相
Ｍ 物質
ＭＰ 移動部材
ａ 欠陥処理
ＩＦ 相転移領域
Ｔｃ 相転移温度
Ｔｇ 温度勾配

Claims (5)

1. 液体状態と液晶状態とを取り得る物質と、
   該物質中に、相転移温度を含む温度勾配を形成させる温度勾配形成手段と、
   前記物質に接触した状態で配置され、該物質に接触した状態で移動可能に設けられた移動部材と、を備えており、
   該温度勾配形成手段は、
   前記物質中において相転移温度の相転移領域を移動させる相転移領域調整機能を有しており、
   前記移動部材は、
   前記温度勾配形成手段によって相転移領域が移動される方向に沿って移動するように配設されており、
   前記物質と接触する接触面に、液晶を乱す処理が施されている
   ことを特徴とする液体−液晶間相転移を利用した物体移動機構。
2. 前記液晶を乱す処理が、
   前記物質と接触すると、該物質中に液晶欠陥を形成し得る処理である
   ことを特徴とする請求項１記載の液体−液晶間相転移を利用した物体移動機構。
3. 前記温度勾配形成手段は、
   前記物質を冷却する冷却手段と、
   該冷却手段に対して離間した位置に配設された、前記物質を加熱する加熱手段と、を備えている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の液体−液晶間相転移を利用した物体移動機構。
4. 液体状態と液晶状態とを取り得る物質に、該物質と接触すると液晶を乱す処理が施された接触面を有する移動部材をその接触面が前記物質と接触するように配設し、
   前記物質中に、相転移温度を含む温度勾配を形成させ、
   前記物質中における相転移温度の相転移領域を移動させる
   ことを特徴とする液体−液晶間相転移を利用した物体移動方法。
5. 前記液晶を乱す処理が、
   前記物質と接触すると、該物質中に液晶欠陥を形成し得る処理である
   ことを特徴とする請求項４記載の液体−液晶間相転移を利用した物体移動方法。
   

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